改擴建高速公路路基檢測與變形規律研究

摘要：隨著交通運輸量的不斷增加，高速公路的改擴建成為趨勢，對其工程質量和路基沉降變形規律進行深入研究至關重要。文章針對廣西某拼寬改擴建高速公路工程，選用瞬態瑞雷波對其新老路基填筑質量進行檢測，對壓實度、均勻度和穩定狀態進行評判，并在填筑質量良好的前提下，通過二維有限元模型對不同設計參數時的沉降變形規律進行分析，得到結論：（1）老路基較新路基填筑更為均勻密實、質量較佳、狀態穩定；（2）新路基、新老路基交接處整體填筑質量與老路基接近，能滿足運營要求；（3）土工格柵能有效降低新老路基差異沉降，新老路基交接處坡越陡，差異沉降越明顯，新路基拼寬越大，最大沉降值越大。

關鍵詞：高速公路改擴建；路基填筑質量；瑞雷波法；PLAXIS有限元

中圖分類號：U416.1 A 07 024 3

0 引言

隨著國民經濟的發展和道路行車量的增加，老舊高速公路改擴建工程已成為時代的趨勢，但高速公路改擴建易出現質量問題，如路基失穩、新老路面交接處損壞等病害，從而影響其使用壽命與性能，對人民的生命和財產安全造成嚴重損害。因此，需要對新老路基的填筑質量及變形規律進行深入分析。對此，大量學者進行了研究。聶鵬飛等［1］運用ANSYS軟件對新路基在不同填筑高度、拼寬寬度和填土參數下的力學響應規律進行分析。王晨竹［2］以工程實踐為例進行有限元分析，認為改良土填筑路基可有效控制新老路基差異沉降，而設置墊層則影響不大。崔偉等［3］基于軟土的孔隙介質特性，運用修正的分層沉降法和有限元軟件確定了新老路基的沉降規律，其結果與現場監測具有一致性。嚴瓊等［4］建立連續-離散耦合的二維模型，從宏觀和微觀角度分析了新老路基差異沉降對路基變形的影響。李海濱等［5］在高速公路改擴建工程中引入鐵路路基常用的樁板結構，并對其適用性進行分析。蔣鑫等［6］基于有限元軟件分析了軟土地區高速公路改擴建的沉降演化過程。聶如松等［7］對路基病害工點的壓實度、含水率等指標進行檢測，系統評價該路基的壓實狀況、變形性能和承載能力等，與有限元模型結合，對其狀態進行評估。基于上述研究，本文選用瑞雷波對廣西某拼寬改擴建高速公路路基進行填筑質量檢測，基于PLAXIS有限元軟件分析了不同拼寬、坡比和格柵處理數量對新老路基沉降位移的影響。

1 填筑質量檢測

選用瑞雷波對廣西某拼寬改擴建的高速公路進行填筑質量檢測，以綜合評判該公路擴建后路基填筑密實度及新老路基之間的差異，為數值模擬參數選取提供一定的依據。因穩態瑞雷波自身缺陷，故檢測選用在工程上應用較為廣泛的瞬態瑞雷波［8］。

1.1 現場布置

在施工現場根據實際情況選擇Ⅰ、Ⅱ兩個測區，每個測區分為3個小測區，每個小測區有3個測點，其布置如圖1所示。其中，1號小測區在新建路基處，2號小測區在新、老路基交接處，3號小測區在老路基處。所有測點沿行車方向呈3×3分布，其相鄰間距為3 m，測試流程如圖2所示。

1.2 結果分析

根據現場試驗，用面波儀分析軟件對Ⅰ、Ⅱ兩個測區數據進行深入分析，Ⅰ區按照行車方向切片，分別分析1、2、3號小測區；Ⅱ區選用垂直于行車方向進行切片。

該線路路基選用分層填筑方式修建，Ⅰ區共填筑17層，每層厚度為20 cm，其剖面圖如圖3所示。

由圖3可知，在新路基（1號）、新老交接路基（2號）、老路基（3號）這3個測區中，老路基（3號）測區的3個測點波速變化最小，主要原因是老路基修筑時間最長且已通車多年，其路基填筑最為均勻密實、狀態穩定。而由3個測區波速變化不大可知，新路基（1號）、新老交接路基（2號）的填筑質量良好，與老路基（3號）較為接近，故可降低因路基填筑質量差異造成的病害。

取Ⅱ區A1、A2、A3深度速度剖面如圖4所示，可知在同一垂直剖面內，3個小測區波速變化范圍一致，即新路基與老路基填筑密實度較為一致，填筑均勻、質量較佳。

2 沉降變形規律

2.1 建模

前文基于瞬態瑞雷波對改擴建路基的填筑質量進行評價，為進一步確認在填筑質量良好的情況下，公路改擴建路基沉降變形規律受不同設計參數的影響，本文選用PLAXIS軟件進行2D建模分析，各土層均選用摩爾-庫侖模型，左右邊界施加法向約束，底部邊界施加全約束。

根據該高速公路地勘報告，選擇典型工點進行分析：地基深9 m，從上往下依次為2 m填土、3 m黏土和4 m粉土。老路基寬28 m，因其沿中線左右對稱布置，故建模時按中線選擇一半分析，即選取老路基寬14 m、高4 m。為確定不同拼寬、坡比和格柵處理層數的影響，按表1所示的7種工況建立模型，其各部分參數如表2所示。

其中，格柵選用彈塑性模型，設置軸向剛度為300 kN/m，最大抗拉力為1×1010 kN/m，應變為5%，其位置為路基底部和每填筑1 m路基處。路面選用板單元，重度設置為22 kN/m2，泊松比設置為0.2。模型頂部交通荷載設置為11 kN/m。其有限元二維模型如圖5所示。其模擬步驟為：（1）原始地層自重應力平衡；（2）分層施工老路基，施加其上路面及交通荷載；（3）分層施工新路基（激活土工格柵），施加其上路面及交通荷載；（4）路基穩定性分析。

2.2 結果分析

所得7種工況的沉降位移云圖如下頁圖6所示。

對比工況1、工況2、工況3可知，工況1（0格柵）沉降最大值為0.074 m；工況2（2層格柵）沉降最大值為0.070 m；工況3（4層格柵）沉降最大值為0.026 m。這表明，土工格柵對新老路基的沉降控制有一定影響，且工況3（4層格柵）較工況2（2層格柵）的沉降控制效果提升更為明顯。因此，對老地基采用拼寬方式進行改擴建時，可在路基底部與頂部鋪設土工格柵，以降低兩者的不均勻沉降。

對比工況1、工況4、工況5可知，工況1（坡比1∶1.5）沉降最大值為0.074 m；工況4（坡比1∶1.2）沉降最大值為0.088 m；工況5（坡比1∶3）沉降最大值為0.029 m。由此可知，當坡比越小、坡越陡時，路基沉降位移越大，新老路基不均勻沉降越明顯。這主要是因為當坡比越小時，路基填土受自重應力影響易產生較大的沉降，導致內力不平衡，從而使新老路基不均勻沉降加劇。故在實際工程中，需選擇合適的坡比以控制新老路基之間的不均勻沉降。

對比工況1、工況6、工況7可知，工況1（拼寬7 m）沉降最大值為0.074 m；工況6（拼寬5 m）沉降最大值為0.059 m；工況7（拼寬11 m）沉降最大值為0.088 m。由此可知，隨著新路基拼寬寬度的增加，路基沉降位移不斷增大。其主要原因是，路基填土在重力的影響下，沉降量隨著填土量的增加而增大。其沉降值雖然在不斷增大，但增大的速率在減小，故可認為當拼寬寬度增大到一定值時，其最大沉降值不再變化。

3 結語

本文針對廣西某高速公路改擴建工程采用瞬態瑞雷波進行現場檢測，以綜合評判該工程的填筑質量。在路基填筑質量良好的前提下，為研究設計參數對其沉降變形的影響，選用PLAXIS軟件進行2D建模，分析了不同拼寬、坡比和格柵處理數量對拼寬路基沉降位移的影響，得到如下結論：

（1）分析測區面波沿行車方向的深度速度剖面圖可知，相較于新路基和新老路基交接處，老路基因修建通車時間較長，其總體路基填筑質量最佳、狀態最為穩定。

（2）分析測區面波垂直行車方向的深度速度剖面圖可知，新路基施工填筑質量較好，路基整體較為均勻密實。新路基、新老路基交接處與老路基的瑞雷波波速相差不大，故可認為其能滿足運營要求。

（3）分析數值模擬結果可知，高速公路老路基進行改擴建時，在新路基的底部與頂部鋪設土工格柵可有效降低新老路基不均勻沉降；新老路基交接處坡越陡，則兩者不均勻沉降越大；新路基拼寬越大，其沉降值越大，但沉降值增大速率降低，故可認為拼寬達到一定值時，最大沉降值不變。

參考文獻

［1］聶鵬飛，丁亞碧，趙 兵，等.高速公路改擴建工程地基拓寬段力學響應分析［J］.公路，2019，64（2）：39-44.

［2］王晨竹.山區高速公路路基差異沉降特性分析及對策探討［J］.山東農業大學學報（自然科學版），2018，49（5）：772-776.

［3］崔 偉，呂高航，劉春陽.高速公路拓寬新路基差異沉降計算分析［J］.科學技術與工程，2017，17（34）：326-331.

［4］嚴 瓊，喬可帥，陳 釩，等.基于連續-離散耦合的公路拓寬路基變形及換填處治宏細觀分析［J］.公路交通科技，2017，34（10）：26-33.

［5］李海濱，柯勝旺，申艷軍.高速公路拓寬中樁類型優選與板樁適應性分析［J］.鄭州大學學報（工學版），2017，38（5）：44-49.

［6］蔣 鑫，蔣 怡，梁雪嬌，等.軟土地基高速公路路基拓寬改建全過程變形特性數值模擬［J］.鐵道科學與工程學報，2015，12（5）：1 039-1 046.

［7］聶如松，冷伍明，楊 奇.既有重載鐵路路基檢測試驗與狀態評估［J］.鐵道工程學報，2014，31（11）：20-24.

［8］李志華，潘瑞林.路基穩定性無損檢測方法技術研究［J］.鐵道工程學報，2007（2）：28-31.

收稿日期：2022-12-20